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第5章 陶瓷材料的烧结-经典3

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陶瓷工艺学第五章全解

陶瓷工艺学第五章全解
2018年10月25日
5.2.4 烧结参数对于烧结样品性能的影响
5.2.4.1 材料参数对烧结的影响
烧结粉体的特征，如颗粒尺寸、尺寸分布、颗粒形状、颗粒团聚 体以及团聚程度都严重影响着致密化过程以及烧结制品的显微结 构。理想的颗粒品质是尺寸小、无团聚、等轴颗粒形状、尺寸分 布范围小、纯度高。 (1) 颗粒尺寸对烧结的影响 原始粉料中的颗粒尺寸越小，致密化速率越快。这种观点可以根据 有关的分形理论来解释。该分形理论指出，对于由固相颗粒组成的 两相或多相系统中，颗粒具有相同的特征，但尺寸不同，在一定温 度下进行的烧结过程中，这些颗粒具有相似的几何特征变化，使这 些变化产生所需的时间可以通过简单的定律来判断。
2018年10月25日
(2) 粉体结块和团聚对烧结的影响
结块(agglomerates)的概念是指小部分的颗粒通过表面力和/或固体 桥接作用结合在一起；而团聚(aggregates)描述的是颗粒经过牢固 结合和/或严重反应形成的粗大颗粒。结块和团聚形成的粗大颗粒 都是通过表面力结合的。单位质量的表面力与颗粒尺寸成反比。 因此，对于亚微尺寸以下的粉体颗粒，结块和团聚问题非常严重。
2018年10月25日
在煅烧过程中形成的固相桥接主要是由于固相颗粒之间的部分烧 结或颈部生长。 如果在颗粒制备过程中已经形成了松散的结块体，煅烧过程的热 处理将使这些结块体转变成更加坚硬的团聚体。
由于烧结颈部的尺寸随着煅烧温度的升高而增大，团聚体的结合 强度随着温度的升高而提高。通常通过球磨，利用机械能来破坏 这些团聚体。
2018年10月25日
一般来讲，烧结样品的原始粉体粒度分布在0.1～100µm 之间；其总表面能为500～0.5 J/mol。而一般粉体氧化 后的表面能变化基本上在300～1500 kJ/mol范围。 因此这样的粉体的总表面能本身就比较小，如果要利用本身数 值就不大的总表面能的减小来完成烧结的话，控制烧结工艺参 数就显得非常必要。

烧结动力学

烧结动力学
许多现代技术陶瓷，如氧化铝和AlN 电子基片、氧化铝和SiC机械密封件、氧化 铝和Si3N4电热塞、氮化硅/sialon结构部件、 ZnO压敏电阻等，也都采用液相烧结工艺 制备。
◎液相浸润
固相被液相很好浸润是实现液相烧 结的基本要求。
固相被液相浸润取决于系统的温度 和化学反应。
Θ角越小，固相越容易被液相浸润。
◎液相烧结又可依据固相、液相和气 孔相的相对体积进一步划分为液相烧结、 粘滞复相烧结和粘滞玻璃相烧结三类。
粘滞复相 烧结区
固相烧结 液相烧结区
粘滞玻璃相烧结
Ⅲ
Ⅱ
Ⅰ
液相烧结区
二、固相烧结
◎固相烧结是没有液相参加，或液相 量极少不起作用的烧结。
◎固相烧结过程中主要发生晶粒中心 相互靠近，晶粒长大，减小粉末压实体的 尺寸以及排出气孔等变化。
第五章 烧结动力学
烧结——是指粉状物料在高温作用下， 气孔排出，体积收缩，逐渐变成坚固整体 的过程。
烧结的目的是使坯体致密化，并获得 预期的显微结构和性能。
烧结过程中，陶瓷坯体将发生复杂的 物理化学变化，并受多种动力学因素制约。
一、烧结类型划分
◎按烧结方式，可划分为无压烧结和 施加外力烧结两类。
◎按烧结机理，可划分为固相烧结和 液相烧结两种类型。
气孔体积及界面面积减小引起的吉布斯自 由能的降低（Kelvin，1987）。
5. 颗粒粗化 烧结总是伴随着微观结构的粗化。 由于驱动力降低以及使扩散路径变长，
晶粒粗化将降低烧结速率，从而使动力学 过程变慢。
由于质量守恒，若颗粒平均尺寸增加， 晶粒数必然减少。
位于晶界的气孔（或其他夹杂物）具 有保持在晶界的倾向，这是由于它的存在 会减小晶界能。
气孔

陶瓷烧结PPT课件

陶瓷烧结PPT课件

未来研究方向与展望
新材料与新工艺的开发
跨学科合作与技术融合
智能化与数字化技术的 应用
未来，研究者们将继续探索新型陶瓷 材料，研究新的烧结工艺和技术，以 满足各种应用需求。同时，如何实现 陶瓷材料的绿色生产和降低成本也是 未来的重要研究方向。
陶瓷烧结技术涉及到材料科学、物理 学、化学等多个学科领域，未来的研 究将更加注重跨学科的合作和技术融 合，以推动陶瓷材料的发展和应用。
还原气氛
可以还原杂质，提高陶瓷的纯度。
压力的影响
常压烧结
是最常见的烧结方式，适用于大多数 陶瓷材料。
加压烧结
在加压条件下，可以促进陶瓷的致密 化，提高其性能。
05
陶瓷烧结的质量控制与检测
质量控制方法
原料质量控制
对原料的化学成分、粒度、含水 率等指标进行严格检测和控制，
确保原料质量稳定。
工艺参数控制
在烧结过程中，对温度、压力、气 氛等工艺参数进行精确控制，以获 得最佳的烧结效果。
设备维护与校准
定期对烧结设备进行维护和校准， 确保设备运行稳定，提高产品的重 复性和可靠性。
性能检测与评价
物理性能检测
检测产品的密度、气孔率、热膨 胀系数等物理性能指标，确保产
品性能符合要求。
力学性能检测
通过抗弯强度、抗压强度等力学 性能试验，评估产品的机械性能
和可靠性。
耐腐蚀性能检测
对产品的耐酸、耐碱、耐热等性 能进行检测，以适应不同环境下
的使用要求。
缺陷分析与改进
缺陷识别
通过外观检查、无损检测等方法，识别产品中的 缺陷和问题。
原因分析
对缺陷产生的原因进行深入分析，找出根本原因 并制定相应的改进措施。

陶瓷材料工艺学--第五章 陶瓷材料的烧结

陶瓷材料工艺学--第五章 陶瓷材料的烧结
③ 气氛对坯的颜色和透光度以及釉层质量的影响
a. 影响铁和钛的价态； b. 使SiO2和CO还原； c. 形成氮化合物。
结论：气氛的影响有好有坏，关键是看坯体的组成。
（4）升温与降温速度对产品性能的影响
75%Al2O3瓷的升温速率与性能的关系曲线 1―抗折强度；2―温度系数；3―介质损耗角
（4）升温与降温速度对产品性能的影响
全部组元都转变为液相，而烧结是在低于主要组分的熔点下进
行的。

这两个过程均在低于材料熔点或熔融温
度之下进行的。并且在过程的自始至终都至少有一相是固态。
固相烧结一般可分为三个阶段：初始阶段，主要表现为颗粒形状 改变；中间阶段，主要表现为气孔形状改变；最终阶段，主要表现为 气孔尺寸减小。
烧结过程
收缩
降温速率对坯体的白度和性能都有影响。特别是 含玻璃相多的陶瓷，应采取高温快冷和低温慢冷的制 度。
高温快冷可避免泛黄、釉面析晶，提高光泽；低 温慢冷可减少应力，避免开裂等。
影响陶瓷材料烧结的工艺参数:
（1）烧成温度 （2）保温时间 （3）烧成气氛 （4）升温与降温速率
本节小结
1、 烧结的定义和烧结的方法 2、 烧结的类型
接触部位 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部
相关参数 晶格扩散率,Dl 晶界扩散率,Db
粘度,η 表面扩散率,Ds 晶格扩散率,Dl 蒸汽压差,Δp 气相扩散率,Dg
5.3.2 晶粒过渡生长现象
晶粒的异常长大是指在长大速度较慢的细晶基体内有少部分区域快 速长大形成粗大晶粒的现象。
在烧结过程中发生异常长大与以下主要因素有关： ① 材料中含有杂质或者第二相夹杂物 ② 材料中存在高的各向异性的界面能，例如固/液界面
三、气孔排除

《陶瓷材料的烧结》课件

《陶瓷材料的烧结》课件
资源循环利用
对废弃的陶瓷材料进行回收和再利用，实现资源的循环利用，降 低对自然资源的依赖。
THANKS。
致密度、均匀性和性能。
烧结设备的改进
03
随着技术的进步，烧结设备的性能和效率也将得到提升，为陶
瓷材料的制备提供更好的设备支持。
环保和可持续发展在陶瓷烧结领域的应用
环保材料的研发
为了降低陶瓷产业对环境的影响，未来将大力研发环保型的陶瓷 材料，如低毒陶瓷、可降解陶瓷等。
节能减排技术的应用
通过采用新型的节能技术，降低陶瓷烧结过程中的能耗和排放， 实现低碳、环保的生产。
04
陶瓷材料的烧结性能
烧结密度和孔隙率
烧结密度
烧结后的陶瓷材料密度，影响材料的 机械性能和热学性能。
孔隙率
陶瓷材料内部孔隙的多少，与材料的 强度、热导率和绝缘性能有关。
烧结陶瓷的力学性能
01
硬度
烧结陶瓷的硬度取决于其成分和 显微结构，硬度高的陶瓷耐磨、 耐划痕。
02
03
抗弯强度
韧性
陶瓷抵抗弯曲应力的能力，与材 料的成分、显微结构和制备工艺 有关。
航天器结构材料
陶瓷材料具有轻质、高强度和耐高温的特性，适用于航天器结构材料，如卫星天线骨架、太阳能电池板支架等。
06
未来展望
新型陶瓷材料的开发
高性能陶瓷
随着科技的发展，对陶瓷材料性能的要求越来越高，未来 将开发出具有更高强度、硬度、耐磨性、耐高温等高性能 的新型陶瓷材料。
多功能陶瓷
除了传统的结构陶瓷外，未来还将开发出具有多种功能如 导电、导热、压电、磁性等功能的新型陶瓷材料。
05
陶瓷材料的烧结应用
在电子行业的应用
电子封装

清华大学工程材料第五版第五章

清华大学工程材料第五版第五章

5.1 普通陶瓷
5.1.1 普通日用陶瓷
一、普通日用陶瓷的用途和特点
用粘土、石灰石、长石、石英等天然硅 酸盐类矿物制成。制造日用器皿和瓷器。
一般具有良好的光泽度、透明度，热稳 定性和机械强度较高。
日用器皿
艺术陶瓷
二、常用普通日用陶瓷
（1）长石质瓷 国内外常用的日用瓷，作 一般工业瓷制品。
（2）绢云母质瓷 我国的传统日用瓷。 （3）骨质瓷 主要作高级日用瓷制品。 （4）滑石质瓷 综合性能好的新型高质瓷。 （5）高石英质日用瓷 我国研制成功，石 英含量 ≥40%，瓷质细腻、色调柔和、透光 度好、机械强度和热稳定性好。
氧化铝陶瓷应用实例：
氧化铝陶瓷密封环
氧化铝陶瓷喷咀
二、氧化铍陶瓷
●导热性极好，很高的热稳定性，抗热冲 击性较高；
●消散高能辐射的能力强、热中子阻尼系 数大。
●强度低。
应用 氧化铍陶瓷制造坩埚，作真空陶瓷和 原子反应堆陶瓷，气体激光管、晶体管散热 片和集成电路的基片和外壳等。
三、氧化锆陶瓷
●熔点在2700 ℃以上，耐2300 ℃高温， 推荐使用温度2000 ℃～2200 ℃；
绝缘瓷瓶
改善工业陶瓷性能的方法： 加入MgO、ZnO、BaO、Cr2O3等或增加莫 来石晶体相，提高机械强度和耐碱抗力；
加入Al2O3、ZrO2等提高强度和热稳定性； 加入滑石或镁砂降低热膨胀系数；
加入SiC提高导热性和强度。
5.2 特种陶瓷
☆ 老师提示：重点内容
特种陶瓷也叫现代陶瓷、精细陶瓷。 特种陶瓷包括特种结构陶瓷和功能陶瓷两 大类，如压电陶瓷、磁性陶瓷、电容器陶瓷、 高温陶瓷等。 按陶瓷的主要组成分： 氧化物陶瓷、硼化物陶瓷、 氮化物陶瓷、碳化物陶瓷。

陶瓷材料烧结温度和烧结温度范围的测定陶瓷材料烧结温度和烧结

7．将试样分成两批，900℃以下为第一批，测定其饱吸煤 油后在煤油中重及饱吸煤油后在空气中重；900℃以上的 试样为第二批，测定其饱吸水后在水中重及饱吸水后在空 气中重。
五、记录与计算
1. 按下列烧结温度与烧结温度范围测定记录表做 好记录。
2．计算

V0＝（G2-G1）／γ油
（1）

V＝（G5-G4）／γ水

烧后失重=[（G0-G3）／G0] ×100%
（8）
式中 G0 ——干燥试样在空气中质量，g；

G1——干燥试样饱吸煤油后在煤油中质量，g；

G2——干燥试样饱吸煤油后在空气中质量，g；

G3——烧后试样在空气中质量，g；

G4 ——烧后试样饱吸煤油（水）在煤油（水）中质
量，g；

G5——烧后试样饱吸煤油在空气中质量，g；
定坯料在烧成时的安全程度、制定合理的烧成升温曲线以 及选择窑炉等均有重要参考价值。为了决定最适宜的烧 成制度，必须知道坯料的烧结温度与烧结温度范围这两个 重要工艺特性。 本实验的目的： 1．掌握烧结温度与烧结温度范围的测定原理和测定方 法。 2．了解影响烧结温度与烧结温度范围的复杂因素。 3．明确烧结温度与烧结温度范围对陶瓷生产的实际意 义。
二、实验原理
本实验是将试样在各种不同温度下焙烧，然后根 据不同温度焙烧的试样外貌特征、气孔率、体积 密度、收缩率等数据绘制气孔率、收缩率一温度 曲线。并从曲线上找出气孔率到最小值（收缩率 最大值）时的温度称为烧结温度；
三、仪器设备 1．高温电炉（最高温度不低于1400℃）； 2．取样铁钳、钢丝锯条、细砂纸； 3．高铝瓷托管； 4．天平：感量0.001g ； 5．烘箱； 6．烧杯、煤油、金属网、纱布； 7．石英粉或Al2O3粉。

陶瓷工艺学习题答案

一、绪论及陶瓷原料1、传统陶瓷和特陶的相同和不同之处？2、陶瓷的分类依据？陶瓷的分类？3、陶瓷发展史的四个阶段和三大飞跃？4、宋代五大名窑及其代表产品？5、在按陶瓷的基本物理性能分类法中，陶器、炻器和瓷器的吸水率和相对密度有何区别？6、陶瓷工艺学的内容是什么？7、陶瓷生产基本工艺过程包括哪些工序？8、列举建筑卫生陶瓷产品中属于陶器、炻器和瓷器的产品？9、陶瓷原料分哪几类？10、粘土的定义？评价粘土工艺性能的指标有哪些？11、粘土是如何形成的？高岭土的由来和化学组成；12、粘土按成因和耐火度可分为哪几类？13、粘土的化学组成和矿物组成是怎样的？14、什么是粘土的可塑性、塑性指数和塑性指标？15、粘土在陶瓷生产中有何作用？16、膨润土的特点；17、高铝质原料的特点和在高级耐火材料中的作用；18、简述石英的晶型转化在陶瓷生产中有何意义？19、石英在陶瓷生产中的作用是什么？20、各种石英类原料的共性和区别，指出它们不同的应用领域；21、长石类原料分为哪几类？在陶瓷生产中有何意义？22、钾长石和钠长石的性能比较；23、硅灰石、透辉石、叶腊石（比较说明）作为陶瓷快速烧成原料的特点；24、滑石原料的特点，为什么在使用前需要煅烧？25、氧化铝有哪些晶型？为什么要对工业氧化铝进行预烧？26、氧化锆有哪些晶型？各种晶型之间的相互转变有何特征？27、简述碳化硅原料的晶型及物理性28、简述氮化硅原料的晶型及物理性能。

二、粉体的制备与合成1、解释什么是粉体颗粒、一次颗粒、二次颗粒、团聚？并解释团聚的原因。

2、粉体颗粒粒度的表示方法有哪些？并加以说明。

3、粉体颗粒粒度分布的表示方法有哪些？并加以说明。

4、粉体颗粒粒度测定分析的方法有哪些？并说明原理。

5、粉体颗粒的化学表征方法有哪些？6、粉碎的定义及分类，并加以说明。

7、常用的粉碎方法有哪些？画出三种粉碎流程图。

8、机械法制粉的主要方法有哪些？并说明原理。

9、影响球磨机粉碎效率的主要因素有哪些？10、化学法合成粉体的主要方法有哪些？并说明原理。

《陶瓷的连接》PPT课件

材料连接新技术
第五章 陶瓷材料的连接
主要内容
➢陶瓷材料的性能特点 ➢陶瓷连接的要求和存在的问题 ➢陶瓷材料的焊接性问题 ➢陶瓷材料的连接方法
1. 陶瓷材料概论
1.1 陶瓷概念
陶瓷的英文名为Ceramic，起源于希腊语Keramos(意为 陶器)
陶瓷是指以各种金属的氧化物、氮化物、碳化物、硅化 物为原料，经适当配料、成型和高温烧结等人工合成的无机 非金属材料。
➢ 应用： 可用做内燃机气缸内衬、活塞顶等 耐磨、耐腐蚀器件 模具 高温发热体材料，在空气中最高发热温度可达2200℃ 燃料电池材料等
3.1.3其他氧化物陶瓷 氧化镁陶瓷 氧化铍陶瓷
3.2 非氧化物陶瓷
非氧化物陶瓷与氧化物陶瓷的区别： ➢ 人工制备的 ➢ 烧结需在保护气氛中进行 ➢ 难熔、难烧结
氮化硅陶瓷
3.5~5
(4)高温强度高、蠕变抗力高 作为耐高温材料，已在工程中获得广泛应用
3.1 氧化物陶瓷
3.几种常用的结构陶瓷
氧化物陶瓷是指包含氧元素的陶瓷，包括由金属与 非金属元素的化合物构成的非均匀固体物质。主要由离 子键结合，也有一定成分的共价键。
最重要的氧化物陶瓷是几种简单类型的氧化物： AO，AO2，A2O3，ABO3和AB2O4等结构类型(A、B表 示阳离子)。
主要选择的中间层 ➢ 单一金属：Cu、Ni、Nb、Ti、W、Mo、铜镍合
金、合金钢 ➢ 两种不同的金属作为复合中间层，例如：Ni作为
塑性金属，W作为低线胀系数材料
中间层材料的预置方式： ➢ 金属铂片 ➢ 金属粉末：真空蒸发、离子溅射、化学气相沉积、
喷涂、电镀
中间层的影响：
➢ 中间层厚度增大，残余应力降低
表3-3 几种氧化物陶瓷的化学组成

陶瓷材料的烧结


晶格扩散率,Dl
晶界扩散率,Db 粘度,η 表面扩散率,Ds 晶格扩散率,Dl 蒸汽压差,Δp 气相扩散率,Dg
2013-7-29
河南省精品课程——陶瓷工艺原理
5.3.2晶粒过渡生长现象
晶粒的异常长大是指在长大速度较慢的细晶基体内有少部分区域快速 长大形成粗大晶粒的现象。
在烧结过程中发生异常长大与以下主要因素有关：
① 材料中含有杂质或者第二相夹杂物 ② 材料中存在高的各向异性的界面能，例如固/液界面 能或者是薄膜的表面能等 ③ 材料内存在高的化学不平衡性。
2013-7-29
河南省精品课程——陶瓷工艺原理
5.4 液相烧结过程与机理
液相烧结（Liquid Phase Sintering，简写为LPS）是指在烧结包含多种粉 末的坯体中，烧结温度至少高于其中的一种粉末的熔融温度，从而在烧结过 程中而出现液相的烧结过程。
2013-7-29
河南省精品课程——陶瓷工艺原理
二、热压装置和模具
（a）电阻间热式；（b）感应间热式； （c）电阻直热式；（d）感应直热式
2013-7-29 河南省精品课程——陶瓷工艺原理
三、热压烧结的驱动力 在热压烧结的初始阶段，假设所有粉体都是规则的球形颗粒立方堆积 在一起，则作用在颗粒接触面积上的有效压力为: Pappl. 2 s P2* r
热压技术已有70年历史，最早用于碳化钨和钨粉致密件的制备。 现在已广泛应用于陶瓷、粉末冶金和复合材料的生产。
2013-7-29
河南省精品课程——陶瓷工艺原理
一、热压烧结的优点 （1）所需的成型压力仅为冷压法的1/10 （2）降低烧结温度和缩短烧结时间，抑制了晶粒的长大。 （3）易得到具有良好机械性能、电学性能的产品。 （4）能生产形状较复杂、尺寸较精确的产品。 热压法的缺点是生产率低、成本高。
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（2）保温时间对产品性能的影响
1―介电强度；2―抗折强度
保温时间对电瓷机电性能的影响曲线
结论：①使物理化学变化更趋完全，使坯体具有足够液相 量和适当的晶粒尺寸；②使组织结构趋于均一。
（3）烧成气氛对产品性能的影响
气氛对Al2O3陶瓷烧结的影响曲线
1―C+H2；2―H2；3―Ar；4―空气；4―水蒸气
优点： １）提高烧结驱动力。 ２）可制备具有控制的微观结构和优化性能 的陶瓷复合材料
5.4.1 液相烧结的阶段
(a)液相烧结不同阶段的示意图(O:熔化;Ⅰ:重排;Ⅱ:溶解-沉淀;及Ⅲ:气孔排除)。 (b)在不同温度下，氧化铝-玻璃体系中，实际致密化作为烧结时间的函数所示
意的不同LPS阶段
三元相图表示由SSS、LPS、粘滞复相烧结(VCS)以及粘滞玻璃相 烧结(VGS)时的相的体积分数关系。箭头表示初始密度为60％时，各 相体积分数变化方向。在IPS烧结区域ABCS．表示出此烧结机理的不 同分阶段Ⅰ：重排，Ⅱ：溶解-沉淀，Ⅲ：气孔排除
2 3
V x / 4r
4
烧结的驱动力主要来源于由于颗粒表面曲率的变化而造成的体积压力差、空 位浓度差和蒸汽压差。对于图中的模型示意图，体积压力差ΔP为：
空位浓度差为：
2 1 1 s P Pa Pr s a r x r
, Vm s Cv Cv RTr
三、气孔排除
在烧结中期，相互连续的气孔通道开始收缩，形成封闭的气孔， 根据材料体系的不同，密度范围从0.9至0.95。实际上，LPS烧结比 SSS烧结可以在较低的密度发生这种气孔封闭。气孔封闭后，LPS烧 结进入最后阶段。封闭气孔通常包含来源于烧结气氛和液态蒸汽的气 体物质。
二、溶解-沉淀（disolvation – precipitation）
浓度
(a)LPS烧结溶解-沉淀阶段的两晶粒接触示意图．物质迁移的三个 路径，1：溶质的外扩散(□)，2和4：溶解物组分(○和△)向晶粒 接触区域流动，以及3：在接触区域的溶解-再沉淀。 (b)三个组分液相所对应浓度梯度作为r的函数，其中rc是接触半径， h是液相膜厚度
5.2.1 烧结类型 液相烧结: 烧结过程有液相存在的烧结。
固相烧结: 坯体在固态情况下达到致密化的烧结过程。
温 度
T3 T2 T1
过渡液 相烧结
液相烧结
固相烧结
A
x1 组分
B
烧结过程示意相图
(a)固相烧结和(b)液相烧结样品显微结构
5.2.2 烧结驱动力
烧结的驱动力就是总界面能的减少。粉末坯体的
1、 烧结的定义和烧结的方法 2、 烧结的类型 3、烧结的驱动力 4、烧结参数及其对产品性能的影响
材 料 参 数
颗粒尺寸大小
粉体结块和团聚 颗粒形状 颗粒尺寸分布
本节思考题
1、在陶瓷烧结过程中，原料颗粒尺寸愈小愈 好对否？
2、烧结材料参数是如何影响陶瓷产品性能的？
二、影响陶瓷材料烧结的工艺参数
材料部位
晶界 晶界 整体晶粒 晶粒表面 晶粒表面 晶粒表面 晶粒表面
接触部位
颈部 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部 颈部
相关参数
晶格扩散率,Dl 晶界扩散率,Db 粘度,η 表面扩散率,Ds 晶格扩散率,Dl 蒸汽压差,Δp 气相扩散率,Dg
5.3.2 晶粒过渡生长现象
晶粒的异常长大是指在长大速度较慢的细晶基体内有少部分区域快 速长大形成粗大晶粒的现象。
烧结与熔融： 烧结是在远低于固态物质的熔融温度下进行的。 烧结与熔融这两个过程都是由原子热振动而引起的，但熔融时 全部组元都转变为液相，而烧结是在低于主要组分的熔点下进 行的。 烧结与固相反应： 这两个过程均在低于材料熔点或熔融温 度之下进行的。并且在过程的自始至终都至少有一相是固态。
固相烧结一般可分为三个阶段：初始阶段，主要表现为颗粒形状 改变；中间阶段，主要表现为气孔形状改变；最终阶段，主要表现为 气孔尺寸减小。
（3）烧成气氛对产品性能的影响
① 气氛对陶瓷坯体过烧膨胀的影响：
氧化气氛和还原气氛对过烧膨胀量的影响有大有小，关键看坯体组成。
② 气氛对坯体的收缩和烧结的影响
氧化气氛和还原气氛对坯体收缩的影响有大有小，关键看坯体组成。
③ 气氛对坯的颜色和透光度以及釉层质量的影响
a. 影响铁和钛的价态； b. 使SiO2和CO还原； c. 形成氮化合物。
第五章 陶瓷材料的烧结
5.1 概述
烧结（sintering）：是一种利用热能使粉末坯体
致密化的技术。其具体的定义是指多孔状陶瓷坯体在
高温条件下，表面积减小、孔隙率降低、机械性能提 高的致密化过程。
烧结的方法：
普通热烧结 电炉热压烧结
等离子体烧结
微波烧结 自蔓延烧结
5.2 烧结参数及其对烧结性影响
5.4.2 液相烧结过程的致密化机理
一、颗粒重排（Particles Re-arrangement） 在LPS烧结过程中，颗粒间的液相膜起润滑作用。颗粒重排向减少气
孔的方向进行，同时减小系统的表面自由能。当坯体的密度增加时，由于 周围颗粒的紧密接触，颗粒进一步重排的阻力增加，直至形成紧密堆积结 构。
G.C.Kuczynski (库津斯基)提出的双球模型 中 心 距 不 变 中 心 距 缩 短
x 2 / 2r
A 2 x3 / r V x 4 / 2 r
x / 4r
2
x 2 / 2r
A x3 / r V x 4 / 2 r
A x / 2r
在烧结过程中发生异常长大与以下主要因素有关：
① 材料中含有杂质或者第二相夹杂物 ② 材料中存在高的各向异性的界面能，例如固/液界面 能或者是薄膜的表面能等 ③ 材料内存在高的化学不平衡性。
5.4 液相烧结过程与机理
液相烧结（Liquid Phase Sintering，简写为LPS）是指在烧结包含多种 粉末的坯体中，烧结温度至少高于其中的一种粉末的熔融温度，从而在烧 结过程中而出现液相的烧结过程。
4、其它成型方法
纸带成型、滚压成型、印刷成型、喷涂成型和爆炸成型等。
是什么成型方法？
傣族慢轮制陶技艺
陶瓷材料工艺学的主线
陶瓷原料 原料加工
坯体成型
配料计算
陶瓷烧结
陶瓷修饰
陶瓷材料工艺学 之
第五章 陶瓷材料的烧结
本章学习的主要内容和要求
5.1 概述（了解烧结的过程与分类）
5.2 烧结参数及其对烧结性能的影响（掌握，是重点） 5.3 固相烧结过程及机理（了解） 5.4 液相烧结过程与机理（了解） 5.5 特色烧结方法（理解特色烧结方法的原理））
细小颗粒在液体和固体介质中承受吸引力和排斥力形成结块和团聚体示意图
（3）颗粒形状对烧结的影响
颗粒形状和液相体积含量对颗粒之间作用力的影响 只有在大量液相存在的情况下，才能使这些具有一定棱角形状的 陶瓷粉体之间形成较高的结合强度。
（4）颗粒尺寸分布对烧结的影响
颗粒尺寸分布对最终烧结样品密度的影响可以通过分析有关的动力
高温快冷可避免泛黄、釉面析晶，提高光泽；低 温慢冷可减少应力，避免开裂等。
影响陶瓷材料烧结的工艺参数:
（1）烧成温度 （2）保温时间
（3）烧成气氛
（4）升温与降温速率
本节小结
1、 烧结的定义和烧结的方法 2、 烧结的类型 3、烧结的驱动力 4、烧结参数及其对产品性能的影响
材 料 参 数 颗粒尺寸大小 粉体结块和团聚 颗粒形状 颗粒尺寸分布 工 艺 参 数 烧成温度 保温时间 烧结气氛 升温和降温速率
（1）烧成温度对产品性能的影响
烧成温度：是指陶瓷坯体烧成时获得最优性质时的相应温度，即 操作时的止火温度。
（a）1240℃
（b）1280℃
组成为Pb0.95Sr0.05(Zr0.58Ti0.47)+GeO 20.5%
1―介电强度；2―抗折强度
烧成温度对压电陶瓷机电性能的影响曲线
结论：烧结温度的确定主要取决于配方组成、 坯料细度和对产品的性能要求。
总界面能可表示为γA（γ为界面能，A为总的比表面 积）。那么总界面能的减少为：
A A A
其中，界面能的变化（Δγ）是因为样品的致密化， 比表面积的变化是由于晶粒的长大。对于固相烧结， Δγ主要是固/固界面取代固/气界面。
在烧结驱动力的作用下烧结过程中的基本现象
5.2.3 烧结参数
t 2 (r2 / r1 ) n t1
如果颗粒尺寸从1 m减小到0.01 m，则烧结时间降低106到108数量 级。同时，小的颗粒尺寸可以使烧结体的密度提高，可降低烧结温度、 减少烧结时间。
（2）粉体结块和团聚对烧结的影响
结块：是指一小部分质量的颗粒通过表面力和/或固体桥接作用结合 在一起；团聚：是指颗粒经过牢固结合和/或严重反应形成的粗大颗粒。 结块和团聚形成的粗大颗粒都是通过表面力结合。
宋代（约1000年）
明清代
元代（约700年）
《世博和鼎》
世博会纪念品
瓷器的作用-征服世界的经济工具
西方学者汉斯.布罗埃尔（1972年）在其 著作中说：“中国凭借着在丝绸、瓷器等方 面无与匹敌的制造业和出口，与任何国家贸 易都是顺差”。
中外学术界公认明代中国已具有占全球财 富总量的1/3的经济实力。
陶瓷材料工艺学 之
第五章 陶瓷材料的烧结
陶瓷材料工艺学的主线
陶瓷原料 原料加工
坯体成型
配料计算
陶瓷烧结
陶瓷修饰
坯体成型的内容回顾
1、注浆成型
常压注浆成型、加压注浆成型。坯料含水量：30~40%
2、可塑成型
造粒成型、流延成型、轧膜成型和注射成型。坯料含水量：18~26%
3、干压成型
科研实验研究常用的方法，设备简单。坯料含水量：6~8%